23 октября 2019, среда, 13:01
VK.comFacebookTwitterTelegramInstagramYouTubeЯндекс.Дзен

НОВОСТИ

СТАТЬИ

PRO SCIENCE

МЕДЛЕННОЕ ЧТЕНИЕ

ЛЕКЦИИ

АВТОРЫ

Ученые смогли увидеть сверхбыстрые изменения в молекулах

Распределение ионов N+ по импульсу для начальной молекулы NO в основном (a и с) и возбуждённом (b и d) электронных состояниях. Точками обозначены результаты эксперимента. Сплошными линиями обозначены результаты теоретических расчетов
Распределение ионов N+ по импульсу для начальной молекулы NO в основном (a и с) и возбуждённом (b и d) электронных состояниях. Точками обозначены результаты эксперимента. Сплошными линиями обозначены результаты теоретических расчетов
МФТИ

Используя механизм туннельной ионизации и ультракороткие лазерные импульсы, исследователи смогли увидеть структуру молекулы и ее изменения в процессе возбуждения электронным ударом, происходящие за миллиардные доли миллиардной доли секунды, сообщается в пресс-релизе МФТИ.

Авторы работы занимаются аттофизикой, изучающий очень быстрые процессы (1 аттосекунда, ас = 10-18 с). К ним относятся, например, процессы перестройки электронных оболочек или смещения ядер атомов в молекулах при химических реакциях. Физик Олег Толстихин (МФТИ) и его коллеги из Японии и Китая нашли способ “заглядывать” внутрь молекул с помощью интерференционной картины электронного рассеяния, а также провели эксперимент, показывающий возможность отслеживать изменения в молекуле при переходе электрона в возбужденное состояние.

Один из методов — использование туннельной ионизации. Молекулу облучают мощным лазером, в результате чего электроны отрываются от нее за счет квантового эффекта туннелирования. Так как можно с уверенностью сказать, что ионизация произошла в рамках доли лазерного цикла (время полного колебания электромагнитного поля в используемом лазерном излучении с длиной волны 800 нм составляет около 2,5 фемтосекунд), предложенный метод дает возможность наблюдать быстропротекающие процессы внутри молекулы.

В первой статье описан эксперимент, в котором Олег Толстихин и его коллеги из университета Нагои и Университета электрокоммуникаций в Токио с помощью коротких лазерных импульсов с разной длиной волны облучали молекулы монооксида азота (NO). Слабый ультрафиолетовый импульс переводил электроны в возбужденное состояние, а следующий за ним мощный инфракрасный создавал поле, в котором электрон покидал молекулу благодаря туннелированию. Оторвавшись от молекулы под действием сильного лазерного поля, электрон возвращался обратно и испытывал рассеяние на молекулярном ионе, в результате чего молекула распадалась на положительный ион азота и атом кислорода. Затем ученые измеряли распределение ионов азота по импульсу для основного и возбужденного начального состояния.

Из этой картины ученые смогли восстановить зависимость скорости туннельной ионизации от ориентации молекулы по отношению к оси поляризации лазерного поля. Оказалось, что в основном состоянии молекулы с наибольшей вероятностью туннельная ионизация возникает, когда ось молекулы расположена под углом 45° к направлению колебаний электрического поля, а в возбужденном состоянии распределение становится почти изотропным, то есть одинаковым по всем направлениям. Результаты эксперимента хорошо согласуются с предсказаниями асимптотической теории туннельной ионизации.

Хорошее соответствие результатов эксперимента и теоретических расчетов, а также высокое временное разрешение говорит о возможности использования метода для визуализации конфигурации молекул в реальном времени, что позволит наблюдать их в развитии и эффективно ими управлять.

Вторая статья посвящена разработке нового метода, позволяющего “вытаскивать” структурную информацию из спектров фотоэлектронного рассеяния при туннельной ионизации атома или молекулы. Численный эксперимент похож на реальный, проведенный с оксидом азота: на атом воздействуют мощным фемтосекундным лазерным импульсом. Только вместо распределения ионов N+ по импульсу исследовалась картина интерференции фотоэлектронов, туннелировавших с внешней оболочки атома.

Среди ионизованных электронов есть такие, которые в конечном итоге обладают одинаковыми импульсами, а значит могут интерферировать. Время, за которое фотоэлектроны успевают слетать “туда-обратно” в лазерном поле и вернуться для перерассеяния на родительском ионе, сравнимо с длиной оптического цикла лазера (составляет фемтосекунды). Но наблюдаемая интерференционная картина имеет гораздо более тонкую “временную” структуру – в ней зашифрованы процессы, которые длятся аттосекунды. То есть можно наблюдать, что произошло с атомом или молекулой за время между вылетом электрона и его возвращением к иону с аттосекундным разрешением.

Ранее ученые показали, что распределение фотоэлектронов по импульсу в эксперименте с туннельной ионизацией содержит устойчивую интерференционную структуру, которая должна хранить информацию о строении родительского иона. Эта структура была названа фотоэлектронной голографией, по аналогии с оптической голографией. Но какая именно структурная информацию зашифрована в этой голограмме и как ее оттуда добыть – оставалось загадкой. Олег Толстихин и его коллеги из Китая и Японии дали ответ на оба эти вопроса.

Оптическая голография позволяет воссоздавать объемные изображения предметов. Физическая основа метода – запись интерференционной картины волн, идущих от источника (опорной) и отраженной от предмета (предметной). При этом особенности структуры предмета меняют фазу предметной волны, а интерференционная картина хранит эту информацию – объем и “структуру” записанного на голограмму предмета.

В фотоэлектронной голографии вместо опорной волны выступают электроны, летящие после туннельной ионизации прямо на детектор. А предметная волна соответствует электронам, которые по пути к детектору сначала испытывают рассеяние на родительском ионе. При этом оказывается, что в голограмме зашифрована информация о фазе амплитуды упругого рассеяния электрона на ионе. По этой фазе можно восстановить структуру иона. Результаты проведенных в работе численных расчетов прекрасно согласуются с предсказаниями адиабатической теории, что подтверждает правильность сделанных теоретических выводов.

Результаты исследований были представлены в двух статьях, опубликованных в журнале Physical Review Letters (1, 2).

Обсудите в соцсетях

Система Orphus
«Ангара» Африка Византия Вселенная Гренландия ДНК Иерусалим КГИ Луна МГУ Марс Монголия НАСА РБК РВК РГГУ РадиоАстрон Роскосмос Роспатент Росприроднадзор Русал СМИ Сингапур Солнце Титан Юпитер акустика антибиотики античность археология архитектура астероиды астрофизика бактерии бедность библиотеки биомедицина биомеханика бионика биоразнообразие биотехнологии блогосфера викинги вирусы воспитание вулканология гаджеты генетика география геология геофизика геохимия гравитация грибы дельфины демография демократия дети динозавры животные здоровье землетрясение змеи зоопарк зрение изобретения иммунология импорт инновации интернет инфекции ислам исламизм исследования история карикатура картография католицизм кельты кибернетика киты климатология клонирование комета кометы компаративистика космос культура лазер лексика лженаука лингвистика льготы мамонты математика материаловедение медицина металлургия метеориты микробиология микроорганизмы мифология млекопитающие мозг моллюски музеи насекомые наука нацпроекты неандертальцы нейробиология неолит обезьяны общество онкология открытия палеолит палеонтология память папирусы паразиты перевод питание планетология погода политика право приматы психиатрия психоанализ психология психофизиология птицы ракета растения религиоведение рептилии робототехника рыбы сердце смертность собаки сон социология спутники старение старообрядцы стартапы статистика такси технологии тигры топливо торнадо транспорт ураган урбанистика фармакология физика физиология фольклор химия христианство цифровизация школа экология электрохимия эпидемии эпидемиология этология язык Александр Беглов Древний Египет Западная Африка Латинская Америка НПО «Энергомаш» Нобелевская премия РКК «Энергия» Российская империя Сергиев Посад альтернативная энергетика аутизм биология бозон Хиггса глобальное потепление грипп информационные технологии искусственный интеллект история искусства история цивилизаций исчезающие языки квантовая физика квантовые технологии климатические изменения компьютерная безопасность компьютерные технологии космический мусор криминалистика культурная антропология междисциплинарные исследования местное самоуправление мобильные приложения научный юмор облачные технологии обучение одаренные дети педагогика персональные данные подготовка космонавтов преподавание истории продолжительность жизни происхождение человека русский язык сланцевая революция физическая антропология финансовый рынок черные дыры эволюция эмбриональное развитие этнические конфликты ядерная физика Вольное историческое общество жизнь вне Земли естественные и точные науки НПО им.Лавочкина Центр им.Хруничева История человека. История институтов дело Baring Vostok Протон-М 3D Apple Big data Dragon Facebook Google GPS IBM MERS PRO SCIENCE видео ProScience Театр SpaceX Tesla Motors Wi-Fi

Редакция

Электронная почта: [email protected]
Телефон: +7 929 588 33 89
Яндекс.Метрика
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003 года. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2019.